книги / Смесевые ракетные твёрдые топлива компоненты, требования, свойства

этом случае заряд вставляется в корпус, центрируется и фиксируется в нем с помощью сухарей и специальных устройств.

Топливо для вкладного варианта должно иметь высокие прочность (а), модуль упругости (Е) при сжатии и высокую удельную ударную вязкость Сак).

2. Заряд прочноскрепленный с корпусом двигателя. Этот вариант реализуется двумя путями:

а) топливная масса подается непосредственно в корпус двигателя, и в процессе отверждения скрепляется через клеевой и защитно-крепящий слои с внутренней поверхностью корпуса;

б) топливная масса подается в технологическую форму. После отвер­ ждения заряд извлекается из формы, центрируется в корпусе двигателя и в зазор между корпусом и зарядом подается клеевой состав. В результате от­ верждения клеевого состава заряд прочно скрепляется с корпусом. Этот вариант называют еще вариантом вклееннного заряда.

Вслучае прочноскрепленного заряда по варианту (а) применяется топ­ ливо низкомодульное, с невысокой прочностью (а), но с высокой эластич­ ностью (е) и низкой температурой стеклования.

Вслучае варианта (б) можно применять топливо с несколько меньшей

эластичностью и более высокими значениями а и Е. В основном СРТТ при­ меняются в прочноскрепленном варианте типа (а). Варианты технологиче­ ских схем и схем снаряжения двигателей предопределяют комплекс требо­ ваний к исходным компонентам и готовому топливу.

Рисунок 2 — Принципиальные схемы снаряжения ракетных двигателей: 1 - Вкладной заряд; 2 - Заряд, прочноскрепленный с корпусом двигателя.

П

1.5 Сравнительная оценка баллиститных

исмесевых ракетных топлив.

Достоинства СРТТ

По уровню единичного штулъса

Для сравнения качества ракетных двигателей (РД) введено понятие удельной тяги Ryfl или единичного импульса реактивной силы 1(. Единич­ ным импульсом называют тягу, создаваемую ракетным двигателем при сжигании в нем 1 кг топлива за время 1 с. В иностранной литературе приня­ то измерять удельную тягу ракетного двигателя в секундах (с). В этом слу­ чае это время, в течении которого РД развивает тягу в 1 кгс, расходуя при этом 1 кг топлива.

Единичный импульс измеряется в iLl£, в кгс -с или в секундах, при-

единичного импульса в ---------- или в секундах (с).

КГ

Таким образом, достоинством СРТТ является более широкий диапазон и более высокий уровень единичного импульса I,.

По температуре горения

Уровень температуры горения БРТ охватывает диапазон в основном от 2200 до 3160 К, а СРТТ от 1700 до 3200 К. Температура горения большин­ ства топлив составляет 3000 * 3200 К, т.е. близка к температуре горения БРТ, содержащих в составе металлическое горючее. Отдельные виды топ-

12

лива имеют температуру горения 3300 * 3500К, что допустимо в связи с разработкой и применением термостойких материалов для соплового блока.

По плотности

Плотность БРТ находится в пределах 1610-5- 1650 кг/м3, а плотность СРТТ в пределах 1750 1970 кг/м3, что показывает преимущество СРТТ, поскольку повышение плотности обеспечивает повышение эффективности топлива.

По скорости горения

БРТ имеют скорость горения в основном в пределах 3 -5- 20 мм /с при Рк = 40 кгс/см2 (4 МПа). Диапазон скорости горения СРТТ существенно

шире 1ч100 мм /с.

Топлива со скоростью горения 1 -s- 3 мм /с относятся к медленно горя­ щим, топлива со скоростью горения 8 + 10 мм /с относятся к топливам со средним уровнем скорости горения. Топлива со скоростью горения 10 -5- 25 мм /с относятся к топливам с повышенной скоростью горения и, горящие со скоростью 30-г- ЮО мм /с, относятся к быстрогорящим. Такой набор скоро­ стей позволяет удовлетворять требованиям для всех видов ракетных двига­ телей.

К достоинствам СРТТ относятся и такие свойства, как меньшая зави­ симость скорости горения от давления и температуры. Например, в случае БРТ показатель зависимости v в законе скорости горения (U = U| -Pv) равен 0.5 -5- 0.7, а в случае СРТТ 0.1 -5- 0.5, причем преимущественно 0.15-5- 0.35.

Таким образом, по комплексу характеристик, определяющих баллисти­ ческую эффективность, смесевые твердые топлива имеют существенные преимущества перед баллиститными.

К достоинствам СРТТ можно отнести и следующее:

• широкий температурный диапазон высокоэластического состояния и благоприятные физико-механические характеристики, позволяющие осуще­ ствлять вариант снаряжения прочноскрепленного с корпусом заряда и улуч­ шать тем самым весовое качество двигателя за счет более высокого коэффи­ циента использования объема двигателя. БРТ, находящиеся в стеклообразном состоянии, применяются только во вкладном варианте заряда и, следователь­ но, обеспечивают меньший коэффициент использования объема;

•возможность направленного регулирования в широких пределах физико-механических свойств топлива и получения на одном виде связую­ щего модификаций топлива, пригодных для применения как в прочно скре­ пленном, так и во вкладном варианте заряда, что позволяет унифицировать связующее;

•возможность изготовления зарядов любых габаритов, в которых возникает потребность, т.е. диаметром до нескольких метров и массой от килограммов до десятков и сотен тонн;

13

• меньшая восприимчивость к детонационным импульсам, большие критические диаметры детонации, высокая термостойкость.

1.6 Области применения СРТТ

Всвязи с широким спектром технологических, баллистических, проч­ ностных и других характеристик СРТТ находят применение практически во всех видах ракетного вооружения и в двигателях различного назначения, а именно: в стартовых и маршевых двигателях, в двигателях коррекции на активном участке полета ракеты, в двигателях к космическим объектам, в двигательных установках разведения головных частей (ДУ РГЧ), в порохо­ вых аккумуляторах давления (ПАД), в газогенераторах (ГГ), в бортовых источниках питания (БИП). Они применяются в ракетах различных классов (земля - земля, земля - вода, воздух - воздух, воздух - земля, вода - вода) и охватывают сухопутные, авиационные и морские ракеты тактического, опе­ ративно-тактического и стратегического назначения и ракеты ПРО. СРТТ, обладающие высокой термостойкостью, незаменимы в авиационных раке­ тах, испытывающих кинетический нагрев. Особое же значение СРТТ имеют для применения в ракетных двигателях (РДТТ) межконтинентальных ракет стратегического назначения. Возможность получения крупногабаритных зарядов, прочноскрепленных с корпусом, достаточно высокие энергетиче­ ские характеристики, эксплуатационная надежность и простота обслужива­ ния привели к интенсивной разработке РДТТ как в США, так и в СССР.

Созданы стратегические межконтинентальные ракеты шахтного и морского базирования. Наибольшее распространение получили ракеты с подвижным стартом, то есть базирующиеся на подводных лодках, на колесном, гусе­ ничном и железнодорожном транспорте. Из ракет США можно назвать та­ кие, как семейство ракет «Минитмен I, II, III », «Поларис» различных вари­ антов, «Посейдон», «Трайдент», а из отечественных такие, как «Пионер», «Тополь», «Тополь-М» и другие. В артиллерии СРТТ пока не применяются, так как температура их горения находится на уровне 3200 - 3500К, а про­ дукты сгорания содержат агрессивные соединения хлора (НС1, СЬ и др.) и конденсированную фазу в виде оксидов металлов. Эти обстоятельства обу­ славливают высокое разгарно-эрозионное действие на канал ствола и, сле­ довательно, низкую его «живучесть». Кроме того, могут возникнуть труд­ ности в разработке технологии мелкозерненых многоканальных порохов с тонким горящим сводом, в том числе связанные со стадией их отверждения. Однако разработка топлив на основе термопластичных (не сшитых) свя­ зующих, применение бесхлорных окислителей (С-, N- и О- нитросоединений) и компоновка составов с умеренной температурой горе­ ния может привести к вторжению смесевых топлив и в область артиллерии. Тем более что современные пироксилиновые и баллиститные пороха, по

14

существу можно рассматривать как смесевые топлива на основе нитроцел­ люлозы.

В связи с хранением и применением РДТТ в различных климатических зонах и в различных типах ракет температурно-влажностные и другие усло­ вия эксплуатации носят достаточно жесткий и разнообразный характер:

• температура хранения и применения охватывает диапазон ± 50 °С для тактических, оперативно-тактических ракет, ракет противоракетной обороны и др.; для стратегических ракет шахтного и морского базирования +5 -5- +35 °С, для авиационных ракет - 55 + + 74 °С. В случае авиационных ракет за счет кинетического нагрева пограничный с корпусом ракеты слой топлива может нагреваться до 100 + 200 °С;

•действующие перегрузки от 3 до 500 g;

•относительная влажность до 100%;

•воздействие кислорода воздуха, радиации и т.п.;

•тряска, вибрации, падение на твердое основание;

•возможность прострела пулей, осколком, воздействия ударной вол­ ны, удара и трения.

Во всех этих условиях заряды из СРТТ должны сохранять эксплуата­ ционные характеристики на требуемом уровне, надежную работоспособ­ ность и обеспечивать безопасность для обслуживающего персонала. В связи

свышеизложенным к СРТТ предъявляются требования по широкому спек­ тру свойств.

15

2 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СРТТ

Требования, предъявляемые к СРТТ, укрупненно можно подразделить на эксплуатационно-технические, технико-экономические и экологические.

Эксплуатационно-технические требования:

эти требования можно подразделить на требования к физико­ химическим свойствам, энергетическим, баллистическим, техническим ха­ рактеристикам, физико-механическим свойствам и к свойствам, опреде­ ляющим безопасную эксплуатацию.

а) Требования к физико-химическим свойствам Требования к физико-химическим свойствам предусматривают их по­

стоянство в процессе длительного хранения и применения, либо допускают изменение в пределах установленных норм, не снижающих существенно надежность и баллистическую эффективность заряда. Основными физико­ химическими свойствами топлив является плотность, гигроскопичность, физическая, химическая и термическая стабильность и некоторые другие. Для обеспечения надежности и эффективности СРТТ должны удовлетво­ рять следующим требованиям:

•плотность топлива должна быть возможно более высокой, так как при прочих равных условиях это позволяет разместить в двигателе данного объема заряд большей массы;

•гигроскопичность топлив должна быть минимальной. Наличие и колебания содержания гигроскопической влаги влияет на уровень и посто­ янство энергетических и баллистических свойств, на физическую и химиче­ скую стабильность топлив, на уровень и постоянство физико-механических свойств, на воспламеняемость;

•топливо должно иметь высокую химическую и физическую ста­ бильность. В процессе его хранения не должны выделяться какие-либо жидкие, твердые или газообразные продукты, так как изменение состава и структуры приведет к изменению всех эксплуатационных характеристик: энергетических, баллистических, прочностных и др.;

•топливо должно иметь необходимую термостабильность. При хра­

нении и применении в заданных условиях оно не должно изменять форму и самопроизвольно растрескиваться. Нарушение сплошности (появление микро- и макротрещин) и изменение формы приведет к незакономерному горению заряда.

б) Требования к энергетическим характеристикам Основными энергетическими характеристиками топлив являются еди­

ничный импульс реактивной силы, температура горения и объем образую­ щихся газов. Наиболее эффективны топлива с высоким единичным импуль­ сом, большим объемом газообразных продуктов сгорания при некотором оптимальном допустимом уровне температуры горения. Поэтому основны­ ми требованиями являются следующие:

16

•топливо должно иметь возможно более высокий уровень энергети­ ческих характеристик;

•топливо должно сгорать в заданных условиях с достаточной полно­

той;

•в течение всего периода установленного срока хранения энергети­ ческие характеристики не должны изменяться;

Эффективность СРТТ зависит и от его плотности, причем, чем послед­ няя выше, тем эффективнее топливо, поэтому можно сформулировать еще одно требование;

•топливо должно иметь возможно более высокий уровень плотности. Перечисленные выше требования обусловлены тем, что изменения этих

характеристик, неполная реализация энергии при горении приведут к изме­ нению баллистических свойств топлива и к снижению его эффективности.

в) Требования к баллистическим характеристикам Основными баллистическими характеристиками топлив являются: ско­

рость горения и зависимость ее от давления и температуры, устойчивость горения в заданном диапазоне температур и давлений, характер и надеж­ ность воспламенения. Требования к перечисленным и некоторым другим характеристикам следующие:

•топливо должно устойчиво (нормально) гореть по определенному закону во всем заданном диапазоне температур и давлений;

•зависимость скорости горения от давления и температуры

[u = f (Р,Т)] должна быть минимальной, то есть топливо должно быть мало­ градиентным (только в некоторых частных случаях, например в стартовых ускорителях систем ПРО, в зарядах катапультирования кресел пилотов тре­ буется топливо с высокой зависимостью скорости горения от давления);

•топливо должно легко и безотказно воспламеняться при всех усло­ виях применения, время воспламенения и выхода на нормальный режим горения должно быть возможно малым;

•эрозия топлива при горении в условиях двигателя должна быть ми­ нимальной;

•в процессе хранения и применения баллистические характеристики не должны существенно изменяться, и их значения должны сохраняться в пределах установленных норм.

Выполнение перечисленных требований в значительной мере предо­

пределяет эффективность РДТТ.

г) Требования к техническим характеристикам Под техническими имеются ввиду характеристики, влияющие на так

называемые явления, сопровождающие выстрел: дымность, пламенность и разгарно-эрозионное действие (РЭД) на элементы конструкции ракетного двигателя (камера сгорания, сопловой блок). Перечисленные явления неже­ лательны, поэтому при разработке топлив, с учетом области применения и класса ракеты, стремятся к выполнению следующих требований:

17

•топливо при сгорании должно образовывать минимальное количе­ ство дыма;

•топливо должно обеспечивать беспламенный или малопламенный выстрел;

•продукты сгорания топлива должны оказывать минимально воз­ можное РЭД на материальную часть.

Наличие дыма демаскирует стартовую позицию и затрудняет примене­ ние оптических средств управления ракетой. Пламя также демаскирует по­ зицию, а в случае авиационных ракет, применяемых на малых высотах, пламя приводит к догоранию продуктов сгорания (неполного окисления) за соплом РД за счет кислорода воздуха в зоне воздухозаборника двигателя самолета. Это приводит к снижению концентрации кислорода в указанной зоне и, как следствие, к нарушению нормального режима работы двигателя

самолета или временному его отключению (так называемое «заглохание» двигателя), что может привести к аварийной ситуации. РЭД продуктов сго­ рания влияет на выбор материала и толщину теплозащитного покрытия (ТЗП) двигателя и, следовательно, на пассивный вес ДУ. Снижение РЭД позволяет улучшить коэффициент весового качества ракеты, уменьшить разгар сопла и обеспечить, соответственно, постоянство давления и тяги, то есть в конечном итоге, постоянство баллистических характеристик. Малое РЭД облегчает задачу выбора конструкционных материалов с точки зрения их температуростойкости.

д) Требования к физико-механическим свойствам Основными физико-механическими свойствами (ФМС) топлив являют­

ся прочность (а), модуль упругости (Е), эластичность (в), удельная ударная вязкость (а*), долговечность (0), температура стеклования (Тс). В зависимо­ сти от варианта использования топлива (вкладной или прочноскрепленный заряд) решающее значение имеют различные свойства. Для топлив вкладно­ го заряда это с, Е при сжатии и ак, а для топлив прочноскрепленного заряда а, в, Е при растяжении, 0 и Тс. То есть определяющие характеристики зави­ сят от свойств и физического состояния высокомолекулярной основы топ­ лива и условий его применения. Отсюда вытекают основные требования:

•топливо должно иметь уровень деформационно-прочностных свойств необходимый для применения в данной системе с обеспечением некоторого запаса прочности;

•топливо должно сохранять свои ФМС, форму и сплошность заряда при всех условиях эксплуатации в заданном диапазоне температур и давле­ ний, под действием сил веса и перегрузок, при падении и транспортировке, при вибрации и резком изменении внешних условий (влажность, перепад температур и т.п.) и, следовательно, обеспечивать горение заряда по задан­ ному закону и его надежное функционирование;

•топливо должно иметь малую зависимость деформационно­ прочностных свойств от температуры и скорости нагружения. То есть зави­

18

симость модуля упругости от температуры должна быть минимальной, так как резкое повышение Е сопровождается сильным снижением эластичности (е) топлива и, как следствие, увеличением отрывных напряжений на границе заряд - корпус в случае прочноскрепленных зарядов. Прочность топлива (а) также должна слабо зависеть от температуры. Темп изменения Е и а при изменении температуры является мерой температурной чувствительности механических свойств топлив;

•зависимость е, 'а и Е от времени в области гарантийных сроков хра­ нения (10 -*• 15 лет) должна быть незначительной. Сильная зависимость этих характеристик от времени свидетельствует об интенсивном развитии дест­ руктивных процессов в топливе, приводящих к изменению прочностных свойств;

•температура стеклования топлива должна быть ниже нижней отри­ цательной температуры его применения.

Любое нарушение сплошности заряда, изменение профиля канала под действием постоянной нагрузки, например, под действием собственной массы заряда при нахождении его в стартовом положении, особенно круп­ ногабаритных зарядов, приведет к нерасчетному подъему давления и, сле­ довательно, к ненормальной работе заряда и даже к разрушению ДУ.

е) Требования к эксплуатационным свойствам В данном случае под эксплуатационными имеются ввиду свойства,

обеспечивающие безопасное обращение с топливами, а именно: чувстви­ тельность к механическим воздействиям (удар, трение), прострелу пулей, осколком, к ударной волне, при падении и т. п. Действие этих факторов возможно как в процессе производства, так и при эксплуатации в войсках и

вусловиях боевого применения.

В указанном смысле к топливам предъявляются следующие требова­

ния:

•топливо должно иметь уровень чувствительности к удару и трению, обеспечивающий технологическую безопасность и безопасность при экс­ плуатации;

•горение топлива не должно переходить во взрыв или детонацию;

•топливо не должно детонировать при падении на твердое основание (бетонное, грунтовое, металлическое), при простреле пулей или осколком, под воздействием детонационной волны и других импульсов.

Технико-экономические требования Комплекс технико-экономических требований определяет возможность

организации многотоннажного производства топлива на отечественном сы­ рье. Основными требованиями являются:

•наличие широкой и дешевой отечественной сырьевой базы и мощ­ ностей для производства исходных компонентов;

19

•рентабельность производства компонентов и топлив. Возможность осуществления высокомеханизированного и автоматизированного управ­ ляемого технологического процесса, в том числе непрерывного;

•быстрый и надежный контроль производства, позволяющий пре­ дотвратить выпуск брака и способствующий сокращению длительности технологического цикла;

•безаварийность производства компонентов и топлив;

•ассимиляция компонентов и топлив промышленностью граждан­ ской продукции и товаров народного потребления.

Экологические требования Эти требования направлены на обеспечение безвредных условий про­

изводства, испытаний и применения топлив и на сохранение чистоты зем­ ли, водоемов и атмосферы. В указанном смысле основными требованиями являются следующие:

•компоненты, топлива и продукты их сгорания должны быть неток­ сичными или малотоксичными;

•технологический процесс производства компонентов и топлив дол­ жен обеспечивать содержание токсичных продуктов в производственных помещениях, в сточных водах и в выбросах в атмосферу в количествах, не превышающих предельно-допустимые концентрации (ПДК);

•при огневых стендовых испытаниях должно быть обеспечено обез­ вреживание или локализация продуктов сгорания топлив.

Удовлетворение перечисленных требований - задача сложная, тре­ бующая постоянного совершенствования производства топлив и организа­ ции стендовых испытаний.

Рассмотренным' выше требованиям топлива должны удовлетворять в течение определенного времени - гарантийного срока служебной пригодно­ сти. Гарантийный срок хранения (ГСХ) устанавливается на первом этапе на основании изучения кинетики изменения свойств в форсированных услови­ ях, имитирующих воздействие различных факторов (температура, влага, напряжения и др.), а на втором этапе уточняется на основании опыта хране­ ния и эксплуатации в реальных условиях путем периодической оценки всех основных свойств на соответствие их предъявляемым требованиям.

Степень удовлетворения требованиям учитывается как важнейшая со­ ставляющая при тактико-технико-экономическом обосновании выбора топ­ лива для применения в конкретной системе.

20